VD1 BERI CHTE NR. 1391, 1998

Schraubenkompressoren für den Einsatz an Silofahrzeugen

Dr.-lng. C. Achtelik, O berhausen

Zusammenfassung

?23

Der Beitrag beschäfti gt sich im Detail mit der Verwendung von Schraubenkompressoren für den pneumatischen Transport aus mobilen Einheiten. Anhand des Zustandsdiagramms der pneumatischen Förderung werden die Förderungsarten sowie die Anforderungen an die entsprechenden Lufterzeuger hergeleitet. Es wird dargelegt, daß Verdrängermaschinen (Kolben­

ode r Schraubenkompressoren) für diesen Anwendungsfal l besser als Strömungsmaschinen geeignet sind. Des weiteren werden die Vorteile der ölfrei verdichtenden Schraubenkompressoren, die in der Regel zum Einsatz kommen, gegenüber den anderen Verdrängermaschinen beschrie­ben . Weitere Anforderungen an die Schraubenkompressoren ergeben sich durch die Einbau­bedingungen am Fahrzeug und dessen Umfeld (z. B. Platzbedarl) . Abschließend wird anhand eines Beispiels eine moderne Kompressorinstallation vorgestell t.

1. Grundlagen der pneumatischen Förderung Unter pneumatischer Förderung versteht man den Transport von Schüttgütern mit Luft. Dabei

strömt in der Regel das Fördermedium zusammen mit dem Fördergut in einer Rohrleitung. Es liegt demnach in einer pneumatischen Förderanlage, die bei Silofahrzeugen aus dem Lufterzeuger mit den dazugehörigen Luftlei tungen, dem Silokessel, der daran anschließenden Rohrleitung und dem "Zielort" besteht, eine Mehrphasenströmung vor.

Zur theoreti schen Beschreibung und Berechnung einer solchen Mehrphasenströmung ist es

notwendig, die Bewegung eines Einzelkorns im Luftstrom zu definieren. Als Einflußgrößen der

Kornbewegung nennt Siegel /1/ u.a. die Kornmasse, den Korndurchmesser, die Kornform , den Stoß des Korns auf die Rohrwand, den Stoß des Korns auf ein weiteres Korn sowie die Turbulenz der Rohrströmung mit und ohne Fördergut. Trotz der Kenntnis dieser einzelnen Einflußgrößen

hat die theoreti sche Berechnung bis heute aber noch kein in der Praxis verwendbares Ergebnis

für die Auslegung von pneumatischen Förderanlagen liefern können . Um die pneumatische

Förderung und die Mehrphasenströmung zu beschreiben , empfiehlt /1/ daher das sogenannte "Zustandsdiagramm der pneumati schen Förderung" zu verwenden (Bild 1 ).

ln ihm werden die einzelnen Förderzustände, die sich beim Transport eines Förderguts im

Luftstrom einstellen, anschaul ich dargestellt. Dazu ist der Druckve rlust öp über der Luftge­

schwindigkeit v bei konstantem Gutmassenstrom 0 5 aufgetragen. Es handelt sicl1 hierbei um eine rein qualitative Darstellung , die vom jeweiligen Fördergut . dem Rohrdurct1messer. der

Förderlänge, der Förderhöhe und der Anzahl der Krümmer abhängt.

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Luftendgeschwindigkeit v

Bild 1: Zustandsdiagramm der pneumatischen Förderung

Dem Diagramm ist zu entnehmen, daß nur innerhalb der Linien A und B Fördergut transportiert

werden kann. Für eine Förderung zwischen der y-Achse und der Linie A ist die Luftgeschwindigkeit

und zwischen der x-Achse und der Linie B der Druck zu gering. in dem Bereich , den die Linien

A und B aufspannen , lassen sich für die Kurven konstanten Massenstromes 0 5 vier Bereiche a-d unterscheiden (Bi ld 1 und Bild 2).

Pfropfenförderung

Strähnenförderung

Bi ld 2: Darstellung der verschiedenen Förderungsarten

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Der Bereich a kennzeichnet die Pfropfenförderung, die sich durch hohe Druckverluste und

niedrige Strömungsgeschwind igkeiten auszeichnet. Sie tritt in der Regel bei Medien hoher Dichte, wie z. B. Zementpulver oder Mehl auf.

Die Strähnenförderung (Bereich c) ist dadurch charakteri siert , daß der Druckverlust bei einer

bestimmten Strömungsgeschwindigkeit ein Minimum aufweist. Die Einzelkörner bewegen sich mehr als Strähne in der unteren Rohrhälfte durch die Förderleitung. Zwischen den Bereichen a und c befindet sich ein instabiler Bereich, bei dem die Förderung zwischen Pfropfen- und

Strähnenförderung und damit zwischen unterschiedlich hohem Druckniveau hin- und herwandert. Der Bereich d wird Flugförderung genannt. Aufgrund der hohen Luftgeschwindigkeit fl iegen die

Körner annähernd gleichmäßig über den Rohrquerschnitt verteilt im Luftstrom. Vor allem

Kunststoffgranulate werden derart gefördert. Zu erkennen ist weiterhin , daß die Druckverluste

mit zunehmender Geschwindigkeit wieder ansteigen. Dies ist darin begründet, daß die Körner öfter an die Rohrwand schlagen sowie mit anderen kollidieren; einze lne Körner werden dabei

oft zerschlagen. Die weit verbreitete Meinung, daß durch eine möglichst hohe Luftgeschwindigkeit

(= hoher Volumenstrom) die Entladung schneller und günstiger bei gleichen Querschnitten der

Förderleitungen durchgeführt werden kann, trifft demnach nicht zu.

2. Vergleich Strömungsmaschine I Verdrängermaschine Obwohl das in Kapitel 1 dargestellte Zustandsdiagramm nur Modellcharakter besitzt, lassen

sich an ihm auch die Anforderungen an die Luftversorgung herleiten. Betrachtet man das

Zustandsdiagramm als Anlagenkennlinie, so kann - ähnlich der Vergehensweise bei einphasigen Strömungen - die Maschinenkennlinie z.B. des Gebläses oder des Kompressors in das

Diagramm eingezeichnet werden. Der Schnittpunkt zwischen Anlagen- und Maschinenkennlinie

kennze ichnet dann einen mögli chen Betri ebspunkt. Im Bild 1 ist die Kenn lini e einer

Strömungsmaschine S (z. B. Gebläse) und einer Verdrängermaschine SK (z.B. Kolben- oder Schraubenkompressor) bei einer konstanten Antriebsdrehzahl eingezeichnet. Der Betriebs­

punkt ergibt sich hier bei 0 5=2 Vh und einer Luftgeschwindigkeit von v=7,5 m/s.

Es ist zu erkennen, daß bei einer Erhöhung des Gutmassenstroms von z.B. 0 5=2 t/h auf

0 5=4 Vh die Verdrängermaschine aufgrund ihrer steilen Kennlinie immer annähernd die gleiche

Luftgeschwindigkeit liefert. Es stellt sich ein stabiler Betriebspunkt ein (z.B. Schnittpunkt der Linien SK und 0 5=4Vh). Die Charakteristik der Strömungsmaschine, bei der eine Druckerhöhung

eine Abnahme des Volumenstroms bei konstanter Drehzahl bedingt, führt dazu , daß außerhalb

des Betriebspunktes kein reeller Schnittpunkt bzw. stabi ler Betriebspunkt gefunden werden

kann . Die Anlage würde verstopfen. Generell erzeugen Rohrverstopfungen, wie sie bei der Pfropfenförderung vorkommen, kurzfristige

Drucksteigerungen. Die Unempfindlichkeit der Verdrängermaschinen gegen diese Druck­

steigerungen ist bei allen pneumatischen Förderanlagen ein genereller Vorteil der Verdränger­

maschinen gegenüber den Strömungsrnaschinen.

(

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3. Anforderungen an Kompressoren für Silofahrzeuge Für die Transporte von Schüttgütern mit Fahrzeugen verwendet man weltweit Silofahrzeuge

mit Druckbehältern. Je nach Verwendungszweck sind die Behälter unterschiedlich aufgebaut.

Einen Überbli ck der einzelnen Bauarten kann entsprechenden Prospekten von Fachfirmen

entnommen werden /2, 3/. Bild 3 zeigt beispielsweise ein Fahrzeug mit einem sogenannten

Kippsilo bei der En tladun~ von chemischen Granulaten .

Bild 3: Fahrzeug mit Kippsilo

bei der Entladung

Die Entladung der Schüttgüter wird in der Regel durch eine pneumatische Druckförderung mit Betriebsdrücken von 2 bar realisiert. Diese hat gegenüber der Niederdruckförderung, die mit

Überdrücken von p=1-1 .7 bar arbeitet, den Vorteil der kürzeren Entladungszeit. Des weiteren

können mit ihr größere Entfernungen und Höhenunterschiede überbrückt werden.

Für die Druck- und Luftmengenerzeugung werden Kompressoren benötigt , die - je nach

Fördergut - Überdrücke zwischen 1,5 bis 2,5 bar und Volumenströme im Bereich von 400 m3/h

bis 1000 m3/h liefern müssen. ln diesem Bereich der pneumatischen Förderung aus mobilen

Einheiten werden ausschließlich Verdrängermaschinen aufgrundder in Kapitel 2 beschriebenen

Vorteile verwendet. Insbesondere die ölfrei verdichtenden Schraubenkompressoren besitzen gegenüber anderen Kompressorbauarten, wie z. B. Kolbenkompressoren oder Vielzellenverdichtern mi t und ohne Ölschmierung die folgenden Vorteile:

I öl freie Verd ichtung der angesaugten Luft

I Realisierung hoher Druckverhältnisse

I keine Verschleißteile, die die Lebensdauer reduzieren,

wie z.B. bei Vielze llenverdichtern

I kein Abrieb, der die geförderte Luft verunreinigen kann

I Unempfindlichkeit gegen kurzfristige Drucksteigerungen,

die durch Verstopfung der Rohrleitung verursacht werden können

1 geringes Gewicht und geringe Abmessungen

(speziell im Vergleich zu den Kolbenkompressoren)

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Aus der Tabelle 1 sind die typ ischen Kennwerte eines Schraubenkompressors für den pneuma­

tischen Transport aus mobilen Einheiten zu entnehmen. Dazu gehört der maximale Betriebsüber­

druck von 2,5 bar am Austritt des Kompressors und der Ansaugvolumenstrom von 286 - 700 m3/h bei einer Kupplungsleistung von 20-48 kW.

es ao11 GHH-ßAND (Kompressorstufe)

Medium atmosphärische Luft

Ansaugternperatur ·c 20

Ansaugdruck, abs. bar 1

Antriebsdrehzahl 1/min 1000 1500 2000

Betriebsüberdruck bar 1,5

Ansaugvolumenstrom m3/h 302 I 524 I 730

Kupplungsleistung kW 16 I 25

I 35

Ansaugtemperatur, max. ' C 53 I 63 63

Betriebsüberdruck bar 2,0

Ansaugvolumenstrom m3/h 286 I

510

I 7 17

Kupplungsleistung kW 20 I 30 41

Ansaugtemperatur, max. "C 33 I 48 50

Betriebsüberdruck bar 2,5 . I

Ansaugvolumenstrom m3/h ! 496 704

Kupplungsleistung kW I 35 48

Ansaugtemperatur. max. c I 34 I 38 I

Abmessungen Länge mm 621

Breite mm 386

Höhe mm 345

Gewicht kg 135

Tabelle 1: Technische Daten eines typischen Schraubenkompressors für den

pneumatischen Transport aus mobilen Einheiten

4. Anforderungen an eine Schraubenkompressorinstallation Um einen trockenlaufenden Schraubenkompressor für den pn eumatischen Transpo rt zu

verwenden, muß zuerst die Frage des Kompressorantriebes geklärt werden. Generell gibt es

drei An triebsmöglichkeiten:

1 separater Antrieb durch einen Diesel- oder Elektromotor

I (direkter) hydraulischer Antrieb

I Antrieb durch den Nebenantrieb des Lastwagens.

Die wirtschaftlichste Art , den Kompressor anzutreiben ist, den Nebenantrieb des Lastwagens

zu nutzen und auf einen separaten Antrieb, der die Nutzlast des Fahrzeugs deutli ch reduzieren

kann, zu verzichten. Je nach Kompressortyp und Nebenantriebsübersetzung kann der Kompressor

direkt oder über einen dazwischen geschalteten Keilriementrieb vom Fahrzeugmotor angetrieben

werden.

228 VIII BERICHTE

Ein weiteres wichtiges Kriterium der Kompressorinstallation ist die Geräuschdämpfung. Durch

den periodischen Ausschubvorgang der Zahnlücken an den Steu erkanten und durch die Strömungsgeräusche- verursacht durch Ablösungen und Wirbelbi ldungen in den Gaskanälen­

entsteht eine erhebliche Lärmbelastung mit einem Schalldruckpegel der größer als 100 dB (A)

in 1m Abstand sein kann /4/. Der Schraubenkompressor muß daher mit einem Saug- und Druck­schalldämpfer und/oder einer Schallhaube versehen werden. Druckschalldämpfer der neuesten Ge­

neration aus speziellen wärmebeständigen Aluminiumlegierungen kombinieren verschiedene

Dämpfungsmechanismen wie Absorptions-, Reflexions- und Interferenzdämpfung /5,6/. Sie

reduzieren den Schall und vor allem die als extrem unangenehm empfundenen hochfrequenten

Ausschubgeräusche auf einen Schalldruckpegel von ca. 83dB (A) in 1m Abstand /7/, so daß voluminöse Schal lhauben nicht verwendet werden müssen. Auf die Verwendung von

Absorptionsschalldämpfern sollte generell verz ichtet werden, da die Gefahr besteht, daß

Absorptionsmaterial in das Fördergut gelangen kann .

Weitere Anforderungen ergeben sich bei der Förderung von Getreide- oder Futtermittelstäuben,

bei denen eine Drucklufttemperatur von 120 ac gemäß den Unfallverhütungsvorschriften /8/

nicht überschritten werden darf. ln diesen Fällen ist die Verwendung eines Druckluftküh lers zur

Reduzierung der Drucklufttemperatur zwingend vorgeschrieben. Zu berücksichtigen ist des weiteren, daß der für die Kompressorinstallation zur Verfügung stehende Platz an Fahrzeugen

sehr gering ist. Die Kompressorinstallation soll te daher geringe Gesamtabmessungen bei gleichzeitig geringem Gewicht aufweisen.

5. Beispiel einer ausgeführten Installation

Den Aufbau eines Kompressoraggregates zeigt Bi ld 4. Der Kompressor und der Keilriemenantrieb

sind auf einer Traverse montiert (1 ). Zusätzlich ist der Kompressor mit einem Saugfilter (2),

Vorschalldämpfer (3) , Druckschalldämpfer (4) und einer Druckluftküh lung (5) ausgestattet. Auf dem Filtergehäuse ist die Steuerungseinheit (6) befestigt , zu der neben dem Wartungsanzeiger,

dem Öldruckmanometer und der Drucklufttemperaturanzeige auch ein Potentiometer gehört,

mit dem die Drehzahl des Venti lators vom Druckluftkühler stufenlos verstellt werden kann. Des

weiteren besteht das Kompressoraggregat noch aus diversen Rohrleitungen, Kleinteilen und Verkleidungsteilen (7) .

~or der eigentlichen Montage des Kompressoraggregates ist sicherzuste ll en, daß die

Ubersetzungen (Nebenantri eb und Keilriementrieb) sowie die Drehmomente aufeinander

abgestimmt worden sind . Des weiteren müssen die notwendigen Mindestp latzverhältnisse am

LKW sichergestellt sein . Auch die Drehrichtung des Nebenantriebes ist zu berücksichtigen. Je

nach Drehrichtung des Nebenantriebes muß der Kompressor relativ zur Fahrtrichtung um 180° gedreht werden.

Das gesamte Kompressoraggregat wird mit Hilfe einer Traversenhalterung, die vorher am LKW­Rahmen ausgerichtet und mit der Haupttraversenhalterung des Aggregates verschweißt wurde,

am Fahrzeugrahmen verschraubt. Zu berücksichtigen sind dabei die jeweiligen Aufbaurichtlinien

des Fahrzeugherstellers und der einzuhaltende Beugungswinkel der Gelenkwell e. Durch eine

Gelenkwelle wi rd der Keilriementrieb des Aggregates mit dem Nebenantrieb des LKW verbunden .

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Gemäß der EG Maschinenrichtlinie wird durch die Verbindung des Kompressors mit dem Motor

das Aggregat zur "Maschine" . Die gesamte Anordnung muß daher vor Inbetriebnahme eine ordnungsgemäße CE Kennzeichnung erhalten.

Bild 5 zeigt abschließend die fertige Kompressorin­

sta llation an einer Sattel­

zugmaschine mit einem Radstand von 3,6 m und

einem Tankinhalt von 600 I.

Bild 5: Fertig montiertes

Kompressoraggregat 1

an einer Sattelzugmaschine

Bild 4: Explosionsdarstellung eines

Kompressoraggregates für den Anbau an ein Silofahrzeug

1 =Kompressor,Traverse und Keilriemenantrieb, 2=Ansaugfi lter, 3=Ansaugschalldämpfer, 4=Druck­

schalldämpfer, 5=Druckluftkühlung, 6=Steuerungs­

einheit, ?=Rohrleitung und Verk leidungsteile

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6. Schlußbemerkung

Für den pneumatischen Transport aus mobilen Einheiten, bei dem Silofahrzeuge mit Druckbehäl­

tern ei ngesetzt werden , kommen vorwiegend ölfrei verdichtende Sch raubenkompressoren­

aggregate zum Einsatz. ln diesem Marktsegment haben die Schraubenkompressoren ebenfalls

die früher verwendeten Kolben- und Vielzellenkompressoren weitgehend verdrängt. Zukünftige

Anforderungen an Entwicklungen ergeben sich aus dem Umfeld des Fahrzeuges. Dazu gehören

die Verringerung des Gewichtes sowie der Abmessungen. Auch weitere Fortschritte au f dem

Gebiet der Schallreduzierung sind zu erwarten. Des weiteren müssen die neuen europäischen

Verordnungen (z.B. Maschinenrichtlinie, Druckbehälterverordnung) zukünftig berücksichtigt

werden.

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Literaturverzeichnis

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Feldbinder Spezialfahrzeugwerke GmbH, diverse Prospekte über FFB-Si loanhänger Stand: 1998

Spitzer Silo Fahrzeugwerke GmbH & Co. KG, diverse Prospekte über Silo-Kippfahrzeuge, Si lo-Aufbau und Silo-Anhänger, Stand: 1997

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Riwo Air Equipment , Hochleistungs-Kompon enten für Schraubenkompressoren

Betriebsanlei tung SILU CG600, SILU CG600 lntercoole r, SILU CS700,

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VBG 16, UVV Verdichter